تأثير دولاب الموازنة للمولد واستقرار نظام منظم التوربينات

تأثير دولاب الموازنة للمولد واستقرار نظام منظم التوربينات تأثير دولاب الموازنة للمولد واستقرار نظام منظم التوربينات تأثير دولاب الموازنة للمولد واستقرار نظام منظم التوربينات تأثير دولاب الموازنة للمولد واستقرار نظام منظم التوربينات
تتميز مولدات الطاقة الكهرومائية الحديثة الكبيرة بثابت قصور ذاتي أصغر، وقد تواجه مشاكل تتعلق باستقرار نظام التحكم في التوربينات. ويعود ذلك إلى سلوك مياه التوربينات، التي تُسبب، بسبب قصورها الذاتي، مطرقة مائية في أنابيب الضغط عند تشغيل أجهزة التحكم. ويتسم هذا عمومًا بثوابت زمن التسارع الهيدروليكي. في التشغيل المنعزل، عندما يُحدد منظم التوربين تردد النظام بأكمله، يؤثر المطرقة المائية على منظم السرعة، ويظهر عدم الاستقرار على شكل تذبذب أو تذبذب ترددي. أما في التشغيل المترابط مع نظام كبير، فيبقى التردد ثابتًا بشكل أساسي بواسطة الأخير. ثم تؤثر المطرقة المائية على الطاقة المُغذّاة للنظام، ولا تنشأ مشكلة الاستقرار إلا عند التحكم في الطاقة في حلقة مغلقة، أي في حالة مولدات الطاقة الكهرومائية التي تشارك في تنظيم التردد.

يتأثر استقرار ترس منظم التوربينات بشكل كبير بنسبة ثابت زمن التسارع الميكانيكي الناتج عن ثابت زمن التسارع الهيدروليكي للكتل المائية، وبكسب المنظم. يؤدي انخفاض هذه النسبة إلى زعزعة الاستقرار، ويستلزم انخفاض كسب المنظم، مما يؤثر سلبًا على استقرار التردد. لذلك، يلزم وجود حد أدنى لتأثير دولاب الموازنة للأجزاء الدوارة في وحدة الطاقة الكهرومائية، وهو ما لا يتوفر عادةً إلا في المولد. كبديل، يمكن تقليل ثابت زمن التسارع الميكانيكي بتوفير صمام تخفيف الضغط أو خزان زيادة التيار، وما إلى ذلك، ولكنه مكلف للغاية عمومًا. يمكن أن يستند المعيار التجريبي لقدرة وحدة توليد الطاقة الكهرومائية على تنظيم السرعة إلى ارتفاع سرعة الوحدة، والذي قد يحدث عند رفض كامل الحمل المقدر للوحدة التي تعمل بشكل مستقل. بالنسبة لوحدات الطاقة العاملة في أنظمة كبيرة مترابطة، والتي يتعين عليها تنظيم تردد النظام، رُئي أن مؤشر ارتفاع السرعة المئوية، كما هو محسوب أعلاه، لا يتجاوز 45%. أما بالنسبة للأنظمة الأصغر، فيجب توفير ارتفاع سرعة أقل (راجع الفصل 4).

مقطع طولي من مدخل محطة الطاقة ديهار
(المصدر: ورقة بحثية للمؤلف - المؤتمر العالمي الثاني، الرابطة الدولية لموارد المياه، ١٩٧٩) في محطة كهرباء دهار، يظهر نظام ضغط الماء الهيدروليكي الذي يربط مخزن الموازنة بوحدة الطاقة، والمكون من مدخل الماء، ونفق الضغط، وخزان زيادة الضغط التفاضلي، وأنابيب الضغط. بتحديد أقصى ارتفاع للضغط في أنابيب الضغط بنسبة ٣٥٪، تم حساب أقصى ارتفاع مُقدر لسرعة الوحدة عند رفض الحمل الكامل بنسبة ٤٥٪ تقريبًا مع إغلاق المُنظم.
زمن قدره 9.1 ثانية عند ارتفاع مُصنّف قدره 282 مترًا (925 قدمًا) مع تأثير دولاب الموازنة الطبيعي للأجزاء الدوارة للمولد (أي مُثبّتًا على اعتبارات ارتفاع درجة الحرارة فقط). في المرحلة الأولى من التشغيل، وُجد أن زيادة السرعة لا تتجاوز 43%. وبناءً على ذلك، اعتُبر تأثير دولاب الموازنة الطبيعي كافيًا لتنظيم تردد النظام.

معلمات المولد والاستقرار الكهربائي
معلمات المولد التي تؤثر على الاستقرار هي تأثير دولاب الموازنة، والمفاعلة العابرة، ونسبة قصر الدائرة. في المرحلة الأولية من تطوير نظام الجهد الفائق عالي الجهد 420 كيلو فولت، كما هو الحال في محطة دهار، من المحتمل أن تكون مشاكل الاستقرار حرجة بسبب ضعف النظام، وانخفاض مستوى قصر الدائرة، والتشغيل عند معامل القدرة الرئيسي، والحاجة إلى الاقتصاد في توفير منافذ النقل وتحديد حجم ومعايير وحدات التوليد. كما أشارت الدراسات الأولية للاستقرار العابر على محلل الشبكة (باستخدام جهد ثابت خلف المفاعلة العابرة) لنظام دهار للجهد الفائق عالي الجهد إلى أنه سيتم الحصول على استقرار هامشي فقط. في المرحلة المبكرة من تصميم محطة دهار للطاقة، رُئي أن تحديد المولدات ذات الجهد العادي...
يُعدّ تحسين خصائص المولد وتحقيق متطلبات الاستقرار من خلال تحسين معاملات العوامل الأخرى ذات الصلة، وخاصةً معاملات نظام الإثارة، خيارًا اقتصاديًا أقل تكلفة. وقد أظهرت دراسة للنظام البريطاني أن تغيير معاملات المولد له تأثير أقل بكثير على هوامش الاستقرار. وبناءً على ذلك، تم تحديد معاملات المولد الاعتيادية كما هو موضح في الملحق. وتُعرض دراسات الاستقرار التفصيلية التي أُجريت.

سعة شحن الخط واستقرار الجهد
مولدات الطاقة الكهرومائية النائية، المستخدمة لشحن خطوط الجهد العالي الطويلة غير المحملة، والتي تتجاوز قدرتها بالكيلوفولت أمبير سعة شحن الخط، قد تُثار ذاتيًا ويرتفع الجهد بشكل لا يمكن التحكم فيه. شرط الإثارة الذاتية هو أن xc < xd، حيث xc هي مفاعلة الحمل السعوية، وxd هي مفاعلة المحور المباشر المتزامن. كانت السعة المطلوبة لشحن خط واحد غير محمل بجهد 420 كيلوفولت E2 /xc حتى بانيبات ​​(الطرف المستقبل) حوالي 150 ميجافولت أمبير عند الجهد المقنن. في المرحلة الثانية، عند تركيب خط ثانٍ بجهد 420 كيلوفولت بطول مكافئ، ستكون سعة شحن الخط المطلوبة لشحن كلا الخطين غير المحملين في وقت واحد عند الجهد المقنن حوالي 300 ميجافولت أمبير.

كانت سعة شحن الخط المتوفرة عند الجهد المقدر من مولد ديهار كما أشار إليه موردو المعدات على النحو التالي:
(i) شحن خطي بمعدل 70 بالمائة من MVA، أي 121.8 MVAR ممكن مع إثارة إيجابية لا تقل عن 10 بالمائة.
(ii) ما يصل إلى 87 بالمائة من MVA المقدرة، أي 139 MVA من الممكن شحن الخط مع إثارة إيجابية لا تقل عن 1 بالمائة.
(iii) يمكن الحصول على ما يصل إلى 100 بالمائة من MVA المقدرة، أي 173.8 سعة شحن الخط مع ما يقرب من 5 بالمائة من الإثارة السلبية وسعة شحن الخط القصوى التي يمكن الحصول عليها مع إثارة سلبية بنسبة 10 بالمائة هي 110 بالمائة من MVA المقدرة (191 MVAR) وفقًا لـ BSS.
(iv) لا يمكن زيادة سعة شحن الخطوط إلا بزيادة حجم الآلة. في حالة (ii) و(iii)، لا يمكن التحكم اليدوي في الإثارة ويجب الاعتماد الكامل على التشغيل المستمر لمنظمات الجهد الأوتوماتيكية سريعة المفعول. ليس من المجدي اقتصاديًا ولا مرغوبًا فيه زيادة حجم الآلة لغرض زيادة سعة شحن الخطوط. وبناءً على ذلك، مع الأخذ في الاعتبار ظروف التشغيل في المرحلة الأولى من التشغيل، تقرر توفير سعة شحن خطوط تبلغ 191 ميجا فولت أمبير عند الجهد المقنن للمولدات من خلال توفير إثارة سلبية على المولدات. قد تحدث حالة تشغيل حرجة تسبب عدم استقرار الجهد أيضًا بسبب فصل الحمل عند الطرف المستقبل. تحدث هذه الظاهرة بسبب التحميل السعوي على الآلة والذي يتأثر سلبًا بارتفاع سرعة المولد. قد يحدث إثارة ذاتية وعدم استقرار الجهد إذا.

Xc ≤ n2 (Xq + XT)
حيث Xc هي مفاعلة الحمل السعوية، وXq هي مفاعلة تزامن المحور التربيعي، وn هي أقصى سرعة زائدة نسبية تحدث عند رفض الحمل. اقتُرح تجنّب هذه الحالة في مولد ديهار بتوفير مفاعل تحويلي ذي جهد فائق عالي (75 ميجا فولت أمبير) متصل بشكل دائم عند الطرف المستقبل للخط، وذلك وفقًا للدراسات التفصيلية التي أُجريت.

لف المثبط
الوظيفة الرئيسية لملفات المثبط هي قدرتها على منع الجهد الزائد في حالة حدوث أعطال بين الخطوط مع الأحمال السعوية، مما يُخفف ضغط الجهد الزائد على المعدات. مع مراعاة المواقع البعيدة وخطوط النقل الطويلة المترابطة، تم تحديد ملفات المثبط المتصلة بالكامل بنسبة مفاعلات التربيع والمحور المباشر Xnq/Xnd لا تتجاوز 1.2.

خصائص المولد ونظام الإثارة
بعد تحديد مولدات ذات خصائص طبيعية، وبعد أن أشارت الدراسات الأولية إلى استقرار طفيف فقط، تقرر استخدام معدات إثارة ساكنة عالية السرعة لتحسين هوامش الاستقرار، بما يحقق أفضل توزيع اقتصادي للمعدات. أُجريت دراسات مفصلة لتحديد الخصائص المثلى لمعدات الإثارة الساكنة، ونوقشت في الفصل العاشر.

الاعتبارات الزلزالية
تقع محطة ديهار للطاقة في منطقة زلزالية. وقد اقتُرحت الأحكام التالية في تصميم المولد الكهرومائي في ديهار بالتشاور مع مصنعي المعدات، مع مراعاة الظروف الزلزالية والجيولوجية في الموقع، وتقرير لجنة خبراء الزلازل في كوينا، التي شكلتها حكومة الهند بمساعدة اليونسكو.

القوة الميكانيكية
يجب أن يتم تصميم مولدات ديهار لتحمل أقصى قوة تسارع زلزالية بشكل آمن سواء في الاتجاه الرأسي أو الأفقي المتوقع في ديهار الذي يعمل في مركز الماكينة.

التردد الطبيعي
يجب إبقاء التردد الطبيعي للآلة بعيدًا (أعلى) عن التردد المغناطيسي البالغ ١٠٠ هرتز (ضعف تردد المولد). يُراعى أن يكون هذا التردد الطبيعي بعيدًا كل البعد عن تردد الزلزال، مع مراعاة هامش مناسب بينه وبين التردد السائد للزلزال والسرعة الحرجة لنظام الدوران.

دعم الجزء الثابت للمولد
يتكون الجزء الثابت للمولد، وأساسات محامل الدفع والتوجيه السفلية، من عدد من ألواح الأساس. تُربط ألواح الأساس بالأساس جانبيًا، بالإضافة إلى الاتجاه الرأسي الاعتيادي، بواسطة مسامير أساس.

تصميم محمل التوجيه
يجب أن تكون محامل التوجيه من النوع القطعي، وأن تُقوّى أجزاء المحامل لتحمل قوة الزلازل الكاملة. كما أوصى المصنعون بربط الدعامة العلوية جانبيًا بالبرميل (غلاف المولد) باستخدام عوارض فولاذية. وهذا يعني أيضًا ضرورة تقوية البرميل الخرساني بدوره.

كشف اهتزازات المولدات
يُوصى بتركيب أجهزة كشف الاهتزازات أو عدادات الانحراف على التوربينات والمولدات لبدء إيقاف التشغيل والإنذار في حال تجاوزت الاهتزازات الناتجة عن الزلازل قيمةً محددةً مسبقًا. كما يُمكن استخدام هذا الجهاز للكشف عن أي اهتزازات غير اعتيادية للوحدة نتيجةً للظروف الهيدروليكية التي تؤثر على التوربين.

اتصالات عطارد
قد يؤدي الاهتزاز الشديد الناتج عن الزلازل إلى فصل خاطئ لبدء إيقاف تشغيل الوحدة في حال استخدام ملامسات زئبقية. يمكن تجنب ذلك إما بتحديد مفاتيح زئبقية مضادة للاهتزاز، أو بإضافة مرحلات توقيت عند الضرورة.

الاستنتاجات
(1) تم تحقيق وفورات كبيرة في تكلفة المعدات والهياكل في محطة الطاقة ديهر من خلال اعتماد حجم وحدة كبير مع مراعاة حجم الشبكة وتأثيرها على الطاقة الاحتياطية للنظام.
(2) تم تخفيض تكلفة المولدات من خلال اعتماد تصميم شامل للبناء والذي أصبح ممكنًا الآن بالنسبة لمولدات الطاقة الكهرومائية الكبيرة عالية السرعة بسبب تطوير الفولاذ عالي الشد لكمة حافة الدوار.
(3) أدى شراء مولدات الطاقة الطبيعية ذات معامل القدرة العالي بعد إجراء دراسات مفصلة إلى مزيد من التوفير في التكلفة.
(4) تم اعتبار تأثير دولاب الموازنة الطبيعي للأجزاء الدوارة للمولد في محطة تنظيم التردد في ديهر كافياً لاستقرار نظام منظم التوربينات بسبب النظام المترابط الكبير.
(5) يمكن تلبية المعايير الخاصة للمولدات عن بعد التي تغذي شبكات الجهد العالي للغاية لضمان الاستقرار الكهربائي من خلال أنظمة الإثارة الثابتة سريعة الاستجابة.
(6) يمكن لأنظمة الإثارة الساكنة سريعة المفعول توفير هوامش الاستقرار اللازمة. ومع ذلك، تتطلب هذه الأنظمة إشارات تغذية مرتدة لتحقيق الاستقرار بعد العطل. ينبغي إجراء دراسات مفصلة.
(7) يمكن منع الإثارة الذاتية وعدم استقرار الجهد للمولدات البعيدة المترابطة مع الشبكة بواسطة خطوط الجهد العالي الطويلة عن طريق زيادة سعة شحن الخط للآلة عن طريق اللجوء إلى الإثارة السلبية و/أو عن طريق استخدام مفاعلات تحويل الجهد العالي المتصلة بشكل دائم.
(8) يمكن اتخاذ التدابير اللازمة في تصميم المولدات وأساساتها لتوفير الحماية ضد القوى الزلزالية بتكاليف بسيطة.

المعلمات الرئيسية لمولدات ديهار
نسبة الدائرة القصيرة = 1.06
المحور المباشر للمفاعلة العابرة = 0.2
تأثير دولاب الموازنة = 39.5 × 106 رطل قدم مربع
Xnq/Xnd ليس أكبر من = 1.2